Motorradtechnik: Grundlagen und Konzepte von Motor, Antrieb und Fahrwerk

479 Pages·2010·75.965 MB·German

by  Jürgen Stoffregen (auth.)

JürgenStoffregen
Motorradtechnik
Kraftfahrzeugtechnik
Handbuch Verbrennungsmotor
herausgegeben von R. vanBasshuysen und F. Schäfer
Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik
herausgegeben von H.-H. Braess und U.Seiffert
Automobildesign und Technik
herausgegeben von H.-H. Braess und U.Seiffert
Bremsenhandbuch
herausgegeben von B.Breuerund K. H. Bill
Handbuch Verkehrsunfallrekonstruktion
herausgegeben von H.BurgundA. Maser
Fahrwerkhandbuch
herausgegeben von B.Heißing und M. Ersoy
Passive Sicherheit von Kraftfahrzeugen
von F. Kramer
Fahrzeugreifen und Fahrwerkentwicklung
von G.Leister
Grundlagen Verbrennungsmotoren
herausgegeben von G. P. Merker und ehr. Schwarz
Virtuelle Produktentstehung für Fahrzeug und Antrieb im Kfz
herausgegeben von U. Seiffert und G. Rainer
Rennwagentechnik
von M. Trzesniowski
Handbuch Kraftfahrzeugelektronik
herausgegeben von H. Wallentowitz und K. Reif
Handbuch Fahrerassistenzsysteme
herausgegeben von H. Winner, S. Hakuli und G.Wolf
www.viewegteubner.de --.
Iürgen Stoffregen
Motorradtechni k
Grundlagen und Konzepte von
Motor, Antrieb und Fahrwerk
7., überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 391Abbildungen
I
POPULÄR ATZj MTZ-Fachbuch
11
VIEWEG+
TEUBNER
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DieDeutsche NationalbibliothekverzeichnetdiesePublikation inder
Deutschen Naticnatbibliograüe;detailliertebibliografische DatensindimInternetüber
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1. Auflage1995
2.,verbesserte Auflage1996
3.,überarbeiteteunderweiterteAuflage 1998
4.,überarbeiteteunderweiterteAUflage 2001
5.,überarbeiteteunderweiterteAuflage 2004
6.,durchgesehene underweiterteAuflage 2006
7.,überarbeiteteunderweiterteAuflage 2010
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ISBN 978-3-8348-0698-7
v
Vorwort zur 7. Auflage
Auch imZeitalter virtuellerWelten bleibt dieFaszinationdes Motorradfehrens.derMechanik
und der sichtbaren wie hautnah zu spürendenTechnik ungebrochen. Die Unmittelbarkeit und
die Dynamikder Bewegungsabläufesowiedieenge Koppelung zwischenMenschundMaschi
nemachendasErlebnisaufeinem Motorradeinzigartig wiebei keinemanderenLandfahrzeug.
Dieses Buch möchte Einblicke in den technischen Aufbau von Motorrädern geben und die
Techniksowieihre Hintergründe ineinemGesamtzusammenhangerläutern.
Die erste Auflage des Buches Motorradtechnikkam 1995 aufdenMarkt. und dieses Buch hat
sich mittlerweile als Standardwerk etabliert. Zuschriftenzeigen, dass sein Konzept die Leser
begeistertund das BuchseineZielsetzungerreichthat:DieTechnikmodernerMotorräder wr
stündlich und fesselnd darzustellen und neben Fachleuten auch interessierte Motorradfahrer
anzusprechen.Dieseswarund bleibt demAutor einbesonderesAnliegen.
Inden 14JahrenseitseinemErscheinenwurdedas Buch regelmäßigaktualisiert underweitert.
Längst überfällig war die Aufnahme eines Kapitels über elektronische Systeme und moderne
Bordnetze im Motorrad. Dieseswirdmitdervorliegenden7.Auflage nachgeholt. Dieneuesten
Entwicklungen bei Regelungssystemenfürden Antrieb wieauch beidenBremsen(ASS)wur
denindiebisherigen Kapitelintegriert.
Die seit einiger Zeit verstärkt geführte Diskussion über die Endlichkeit des Erdöls und die
resultierenden Forderungen nach Senkung des Kraftstoffverbrauchs für Kraftfahrzeuge hat
die motorisierten Zweiräder erneut als Individualverkehrsmittel für Transportaufgaben ins
Gespräch gebracht. Motorräder mit elektrischen Antriebenmachen die ersten Schritte inden
Markt. Diese Entwicklungen werden im Kapitel Zukunftsentwicklungen kurz angerissen.
Dennoch wirddieMarktsteIlungdes Motorradesals Freizeitfahrzeug auchindennächsten 15
Jahren erhalten bleiben und der Verbrennungsmotor wird auch nach 2020 die dominierende
Antriebsquelle fürMotorrädersein.Deshalbwirddieses Fachbuchweiterhinseinerbisherigen
Hauptausrichtung treu bleiben. Es bleibt also auch in der Zukunft bei dem, was schon in der
erstenAuflage 1995gesagtwurde:
Das Motorrad vereint aufengstem Bauraum modernste Motoren-, Fahrwerks-und Werkstoff
technotogie. InvielenBereichendes Fahrzeugbaushatdas Motorrad Schrittmacherfunktionen
für die Einführung neuer Technologjen geleistet. Erinnert sei hier an die Mehrventiltechnik.
die,im Motorradseit rund 30 Jahren Standard,erst viele Jahre nachdem Motorrad Einzug in
dieGroßserienmotorendesAutomobilsgefundenhat. Einweiteres Beispielistder Rahmenbau.
Geschweißte Verbundkonstruktionen aus Aluminium-Strangpressprofilen und Aluminium
Gussteilen sind im Motorradbau längst aufbreiter Basiseingeführt, während beim Automobil
dieseTechniknachwie vornur inEinzelfallenangewandtwird.
Auchdiemoderne ForschungbefasstsichseitJahrenaufgrundderInitiativeeinigerHochschul
instituteintensivermitderTechnikdesMotorrades.WichtigeFragenderFahrdynamikundder
Fahrinstabilitäten konnten dadurch aufgeklärt werden, was wesentlich dazu beigetragen hat,
die HochgeschwindigkeitsstabilitätmodernerMotorräder zu perfektionieren.
Die Erkenntnisse moderner Forschungs-und Entwicklungsarbeitendringen überdenKreisder
damitbefasstenFachleuteimmernochnurwenighinaus.Gleichwohlbestehtbeivielen,diesich
beruflich oder auch nur privat mit dem Motorrad beschäftigen der Wunsch, die technischen
VI Vorwortzur7.Auflage
Zusammenhänge näher kennenzulernen.Dieses Buchwurde geschrieben,um dem interessier
tenLeserdasaktuelle Wissen neuzeitlicherMotorradtechnikzugänglichzumachen.Abgeleitet
ausdentheoretischenGrundlagenwerdendie KonstruktionsprinzipienvonMotor,Antriebund
Fahrwerk ausführlich erläutert und die praktische Entwicklung moderner Motorräder darge
stellt.Ausdem Blickwinkelder industriellenPraxisheraus,werdendabeiauchdieZielkonflik
te zwischendem technisch Möglichen undwirtschaftlichSinnvollennichtausgeklammert.
Das Buchist entstanden ausdergleichnamigen Lehrveranstaltung,diederAutorander Hoch
schuleMünchenseitnunmehr22Jahrenhält.HauptberuflichwarervieleJahrebei BMWinder
Motorradentwicklung und späterals Pressesprecher fürdenGeschäftsbereich Motorrad tätig.
Heute leitet er das Produktmanagement für Fahrerausstattung und Sonderzubehör im Hause
BMW Motorrad.
DasBuchwendetsichgleichermaßenanStudierende vonFach-und Hochschulen,wiean Zwei
radmechaniker und Meister sowie an alle technikinteressierten Motorradfahrer. Durch den
Verzichtaufschwierige mathematische HerleitungenzugunsrenanschaulicherZusammenhän
ge und ausführlicher Erläuterung bleibt es auch für den Motorradfahrer mit physikalischem
Grundverständnis gut lesbar. Wichtige technisch-physikalische Grundlagen können auch im
Glossartechnischer GrundbegriffeamEndedes Buchesnachgeschlagenwerden.
Es ist dem Verfasserals begeistertem Motorradfahrereinbesonderes Anliegen,dass statt tro
ckener Theorie anwendbares Praxiswissen im Vordergrund steht und damit das Lesen auch
Freude bereitet. Dass das gewählte Konzept eines lesbaren Fachbuchs beim Leser ankommt,
zeigt sichdaran,dassdiebisherigen Auflagenjeweils raschvergriffenwaren.Studierende und
Fachleute der Fahrzeugtechnik und verwandter Fachrichtungen. die sich an manchen Stellen
vielleichteinestrengerwissenschaftlicheDarstellungwünschen.seienaufdiezahlreichenLite
raturstellen verwiesen. Eine tiefere Einarbeitung in die Problemstellungen wird damit leicht
möglich.
Fürdie ÜberlassungvonBildmaterialund Unterlagenbedanke ichmichwiederumbeiallenIns
titutionenundUnternehmender Motorradindustrie.sowiebeibefreundeten Motorrad-Fachzeit
schriften.Mein DankgiltebensoallenKollegen,StudentenundMotorradfahrern,dieinGesprä
chen und Diskussionen mit vielen Ideen und Gedanken fortlaufend zur weiteren Gestaltung
dieses Buches beigetragen haben. Namentlich erwähnen möchte ich Herrn Dipt.-lng. Themas
Ringholz, Herrn Dipl.-lng.Claus Polapund Herrn Dipl.-Ing.Gert Fischer,die beider Konzep
tion derersten Auflage wichtige Beiträge zu einigen Kapitelngeleistet haben. Nicht vergessen
möchte ichmeine Frau,ohnederen Verständnis fürmeinen Zeitaufwanddieses Buchnie hätte
entstehenund weiterentwickeltwerdenkönnen.
Wie vonBeginn an,hat Herr Dipl.-Ing. Ewald Schmitt auchdie vorliegende 7.Auflage wieder
mit großempersönlichenEngagement gefördert.Ihm und dem Verlag Vieweg+Teubnerdanke
ichfürdiefachliche undfreundschaftliche UnterstützungundBeratung.
München undOlching,Oktober 2009 Jiirgen StojJregen
VII
Inhaltsverzeichnis
Gesamtfahrzeug
Ernrührung . I
1.1 VerkehrsmittelMotorradund wirtschaftliche Bedeutung I
1.2 CharakteristischeEigenschaften vonMotorrädern .. .. . 6
1.3 BaugruppendesMotorradesundtechnischeTrends 7
2 Fahrwlderstände, Leistungsbedarfund Fahrleistungen 10
2.1 StationäreFahrwiderstände 10
2.1.1 Rollwiderstand 10
2.1.2 Luftwiderstand 12
2.1.3 Steigungswiderstand 14
2.2 InstationäreFahrwiderstände 15
2.2.1 TranslatorischerBeschleunigungswiderstand 15
2.2.2 Rotatoriseher Beschleunigungswiderstand 15
2.3 LeistungsbedarfundFahrleistungen 16
xtotor und Antrieb
3 Arbeitsweise, Bauformen und konstruktiveAusführungvon ötcrorradmotoren . 21
3.1 MotorischerArbeitsprozess undseinewichtigstenKenngrößen 21
3.1.1 EnergiewandlungimViertakt-und Zweitaktprozess 22
3.1.2 RealeProzessgrößenundihrEinflussaufdie Motorleistung 28
3.2 Ladungswechselund Ventilsteuerungbeim Viertaktmotor ................. 33
3.2.1 Ventilöffnungsdauer und Ventilsteuerdiagramm 33
3.2.2 Ventilerhebungund Nockenform 36
3.2.3 GeometriederGaskanäle imZylinderkopf 47
3.3 Ladungswechselund SteuerungbeimZweitaktmotor 49
3.3.1 GrundlagendesLadungswechselsbeider Schlitzsteuerung ......... . 49
3.3.2 Membransteuerungfürden Einlass 56
3.3.3 Schiebersteuerungfür Ein-undAuslass 58
3.3A Externes Spülgebtäse 59
3.3.5 KombinierteSteuerungenund Direkteinspritzung 62
3A ZündungundVerbrennungimMotor .................................. 64
3A.1 ReaktionsmechanismenundgrundsätzlicherVerbrennungsablauf 64
3A.2 Beeinflussungder VerbrennungdurchdenZündzeitpunkt 67
3A.3 IrreguläreVerbrennungsabläufe 72
3AA Bildungder Abgasschadstoffe 77
3.5 Gas- und Massenkräfte imMotor 78
3.5.1 Gaskraft 79
3.5.2 Bewegungsgesetzdes Kurbeltriebsund Massenkraft 80
3.5.3 AusgleichderMassenkräfteund -momente 84
VIII Inhaltsverzeichnis
3.6 MotorkonzeptionundgeometrischeGrundauslegung 107
3.7 KonstruktiveGestaltungderMotorbauteile 111
3.7.1 Bauteiledes KurbeltriebsundderenGestaltung 111
3.7.2 Gestaltungvon KurbelgehäuseundZylinder ...................... 129
3.7.3 GestaltungvonZylinderkopfundVentiltrieb 137
3.7.4 BeispieleausgeführterGesamtmotoren 163
3.8 KühlungundSchmierung............................................ 166
3.8.1 Kühlung .................................................. 166
3.8.2 Schmierung ................................................ 171
3.9 SystemezurGemischaufbereitungundSauganlagen 173
3.9.1 Vergaser .................................................. 173
3.9.2 Einspritzung ............................................... 179
3.10 Abgasanlagen 188
3.10.1 KonventionelleSchalldämpferanlagen 188
3.10.2 AbgasanlagenmitKatalysatoren 192
3.11 ElektrischeSysteme- Energieversorgung. Elektronikund Bordnetz 196
3.11.1 ElektrischeEnergieversorgung 196
3.11.2 Bordnetz 198
4 Motorleistungsabstimmungim Versuch . 200
4.1 GrundlagenderGasdynamikbeimLadungswechsel . 200
4.2 EinflussderSteuerzeit . 202
4.3 AuslegungderSauganlage . 204
4.4 AuslegungderAbgasanlage . 209
5 Meterentuning . 211
6 Kupplung,Schaltgetriebe und Radantrieb . 223
6.1 Kupplung . 223
6.2 Schaltgetriebe . 228
6.3 Radantrieb . 233
7 KrartstorrundSchmieröl 238
7.1 Erdölals BasisfürdieHerstellungvon Kraft- undSchmierstoffen 238
7.1.1 KettenförrnigeKohlenwasserstoffe . 239
7.1.2 RingförmigeKohlenwasserstoffe . 242
7.1.3 WeitereinderPetrochemiegebräuchliche Bezeichnungen .. 243
7.2 Rohölverarbeitung . 244
7.2.1 Destillation . 244
7.2.2 Konversionsverfahren . 246
7.2.3 EntschwefelnimHydrotreater . 247
7.3 Ottokraftstoffe . 247
7.3.1 ZusammensetzungvonOttokraftstoffen . 247
7.3.2 Unerwünschte BestandteileimOttokraftstoff . 248
7.3.3 Kraftstoffzusätze(Additive) . 248
7.3.4 Wesentliche EigenschaftenvonOttokraftstoffen . 249
7.3.5 Rennkraftstoffe . 253
Inbaltsverzeichms IX
7.4 Motorenöle 253
7.4.1 Grundöle 256
7.4.2 Additive 257
7.4.3 Viskositätsindexverbesserer ................................... 259
7.4.4 KlassifizierungvonMotorenölen 261
7.4.5 Zweitaktöle 265
7,4.6 Rennöle 266
7.5 Getriebeöle 268
7.6 Ölzusetze 270
Fahrwerk
8 KonstruktiveAuslegung vonl\fotorradfahrwerken 271
8.1 BegriffeundgeometrischeGrunddaten . 271
8.2 KräfteamMotorradfahrwerk . 273
8.3 Rahmenund Radführungen . 277
8.3.1 BauartenundkonstruktiveAusführungvonMotorradrahmen 277
8.3.2 Bauarten undkonstruktiveAusführungderVorderradführung 291
8.3.3 BauartenundkonstruktiveAusführungder Hinterradführung 306
8.3.4 FederungundDämpfung 321
8,4 Lenkung . 327
8.4.1 Steuerkopflenkung .. 328
8.4.2 Achsschenkellenkung 329
8.4.3 Radnabenlenkung . 330
8.5 Bremsen . 331
8.6 Räderund Reifen . 333
9 Festigkeits- und Sretügketrsuntersuchungenan Motorradfahrwerken 340
9.1 BetriebsfestigkeitvonFahrwerkskomponenten 340
9.2 Steifigkeitsuntersuchungen . 344
9.3 DauererprobungdesGesamtfahrwerks .. 345
10 Fahrdynamik und Fahrversuch . 347
10.1 Geradeausfahrt undGeradeausstabilität . 347
1O.1.1 KreiselwirkungundGrundlagenderdynamischenStabilisierung 347
10.1.2 FahrinstabilitätenFlattern,PendelnundLenkerschlagen . 353
10.2 Kurvenfahrt . 362
10.2.1 EinlenkvorgangundGrundlagenderidealisiertenKurvenfahrt 362
10.2.2 Reale EinflüssebeiKurvenfahrt .. 364
10.2.3 Handling . 367
11 Regelungssystemefür Bremsen und Antriebsschlupf . 369
11.1 GrundlegendeGesetzmäßigkeitenbeider Bremsung . 369
11.2 StabilitätsverlustbeimBremsenundGrundfunktiondesABS . 374
11.3 ABS-Komponentenundausgeführte Seriensysteme . 378
x Inhaltsverzeichnis
11,4 Kurvenbremsurig 395
11.5 Antriebsschlupfregelung 397
Karosserie und Gesamtentwurf
12 Design,Aerodynamik und Karosserieauslegung 401
12.1 DesignalsintegralerBestandteilderMotorradentwicklung 401
12.2 Aerodynamikund Verkleidungsauslegung 411
12.3 Fahrerplatzgestaltungund Komfort 418
Indivlduallsierung
13 Zubehör,Spezialteile und technischevertetnerung 419
13.1 Verbesserungen undSpezialteile fürMotor undAntrieb 419
13.2 VerbesserungenundSpezialteile fürdas Fahrwerk 424
13.2.1 Rahmen, Radführungenund Federbeine 424
13.2.2 Räder ..................................................... 429
13.2.3 Bremsanlage 430
13.2.4 Lenker, Bedienelemente. Fußrasten,Sitzbänke 433
13.2.5 Verkleidungen, KarosserieteileundTanks 435
13.3 Gepäcksysteme undsonstiges Zubehör 439
13.4 Komplettumbauten 440
ZukunItsentwicklungen
14 Trends und zukünftigeAnforderungen im Motorradbau 443
Llteraturverzelchnis . 455
Anhang- Glossartechnischer Grundbegriffe 457
Sachwcrtverzetchnts . 465